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        鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)介紹

        2014-03-24 03:54:12潘文彬李永濤張春良程海濤
        鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2014年3期
        關(guān)鍵詞:芯軸軸箱鋸齒

        潘文彬,李永濤,張春良,程海濤

        (中國(guó)南車(chē)株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

        鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)介紹

        潘文彬,李永濤,張春良,程海濤

        (中國(guó)南車(chē)株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

        以一種機(jī)車(chē)用軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)為例,介紹一種鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)較小的徑向/軸向剛度比,具有軸向自鎖功能,良好的承載能力,疲勞性能好。

        鋸齒嚙合;橡膠關(guān)節(jié);疲勞性能

        金屬—橡膠關(guān)節(jié)產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱(chēng)橡膠關(guān)節(jié))因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能有效地起到柔性連接和減振降噪的作用,且能為系統(tǒng)提供合適的剛度而廣泛應(yīng)用于機(jī)車(chē)車(chē)輛的牽引系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)。常規(guī)的橡膠關(guān)節(jié)產(chǎn)品因受結(jié)構(gòu)限制,其徑向/軸向剛度比(簡(jiǎn)稱(chēng)徑/軸剛度比)一般限于7∶1以上,而在一些特定的場(chǎng)合,如機(jī)車(chē)軸箱定位結(jié)構(gòu)中,由于系統(tǒng)性能的要求,往往需要更小徑/軸剛度比的橡膠關(guān)節(jié)產(chǎn)品,這就需要一種新結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)一種機(jī)車(chē)用軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié),介紹一種鋸齒嚙合狀能實(shí)現(xiàn)小徑/軸剛度比的橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

        1 鋸齒嚙合[1]結(jié)構(gòu)的研發(fā)背景

        2006年國(guó)內(nèi)研制某重載貨運(yùn)機(jī)車(chē),該車(chē)軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)接口尺寸如圖1,要求徑向剛度為195 k N/mm,軸向剛度為57 k N/mm,即要求橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比為3.42∶1。

        圖1 軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)示意圖

        按其接口尺寸要求,采用傳統(tǒng)的平軸和凸軸結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié),如圖2、圖3所示,其徑/軸剛度比都在15∶1以上(見(jiàn)表1),不能滿(mǎn)足技術(shù)輸入要求。

        圖2 平軸結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)

        圖3 凸軸結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)

        表1 傳統(tǒng)橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比

        2 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的提出

        因?yàn)橄鹉z材料具有壓縮模量遠(yuǎn)大于剪切模量的特性[2],傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的橡膠關(guān)節(jié)在承受軸向載荷時(shí),橡膠主要承受剪切力,尤其是平軸結(jié)構(gòu)幾乎是純剪切力;在受到徑向載荷時(shí),橡膠材料主要受壓縮力,因而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)具有較大的徑/軸剛度比。如果我們改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),使其在承受徑向載荷時(shí)橡膠承受一定的剪切力,在承受軸向載荷時(shí)橡膠承受一定的壓縮力,就可以降低徑/軸剛度比。

        根據(jù)以上原理,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種軸向組合式橡膠關(guān)節(jié),產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。它由左右2個(gè)球鉸和芯軸組成。左右球鉸由外鋼套、內(nèi)鋼套和橡膠彈性體粘合在一起。這種結(jié)構(gòu)的橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比可以達(dá)到小于2∶1,但它要求有較大的幾何空間,直徑需達(dá)到φ130以上,而現(xiàn)有產(chǎn)品外徑尺寸為φ80,沒(méi)有足夠的幾何空間。因此按其接口尺寸要求,需設(shè)計(jì)一種新的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)3.42∶1的徑/軸剛度比。

        鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)由外套、兩瓣隔套、橡膠和芯軸組成(圖5),其中芯軸、兩瓣隔套和橡膠彈性體硫化粘合在一起,再通過(guò)過(guò)盈配合壓入外套得到成品,其特點(diǎn)在于金屬隔套和芯軸呈鋸齒狀,兩者的鋸齒是相互鑲嵌、嚙合在一起的。

        圖4 軸向組合式橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

        圖5 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        3 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性

        3.1 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)可靠性高

        (1)粘合面積增加提高可靠性

        因?yàn)樾据S與兩瓣隔套呈鋸齒狀,該關(guān)節(jié)橡膠與金屬的粘結(jié)面積比平軸結(jié)構(gòu)、凸軸結(jié)構(gòu)大30%~50%,提高了產(chǎn)品的可靠性。

        (2)具有軸向自鎖功能提高可靠性

        從圖5可以看出,芯軸鋸齒外徑要比隔套鋸齒內(nèi)徑大,是一種軸向過(guò)盈的裝配方式,具有軸向自鎖功能,可以確保在橡膠出現(xiàn)裂紋甚至破壞的情況下芯軸也不會(huì)從隔套中脫離而造成事故,提高了產(chǎn)品的可靠性。

        3.2 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比小

        鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)通過(guò)鋸齒相互鑲嵌、嚙合在一起,因此在其承受軸向載荷時(shí),橡膠也受到一定的壓縮力,具有較大的軸向剛度;在承受徑向載荷時(shí),橡膠也承受一定的剪切力,具有相對(duì)較小的徑向剛度及較小的徑/軸剛度比。

        3.3 鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)徑/軸剛度比調(diào)節(jié)范圍廣

        通過(guò)調(diào)節(jié)鋸齒齒數(shù)、鋸齒嚙合長(zhǎng)度L(圖6)可以有效的調(diào)節(jié)橡膠關(guān)節(jié)的徑/軸剛度比。為研究鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)的剛度特性,本文以有限元技術(shù)為手段,以鋸齒齒數(shù)、鋸齒嚙合長(zhǎng)度L為優(yōu)化對(duì)象,探討鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)的剛度特性。

        由于受到安裝尺寸的限制,鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)外徑一般為φ80~φ100,外套長(zhǎng)度一般為100~140,因此可以布置的齒數(shù)2~6個(gè)不等,嚙合長(zhǎng)度2~8 mm不等。

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,一般隨著鋸齒齒數(shù)的增加,徑/軸剛度比大幅下降;隨著鋸齒嚙合長(zhǎng)度的增加,徑/軸剛度比適當(dāng)下降。從圖7、圖8可以看出鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比可以達(dá)到3∶1~2.5∶1,調(diào)節(jié)范圍廣。

        圖6 嚙合長(zhǎng)度L示意圖

        圖7 鋸齒齒數(shù)對(duì)橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比的影響

        圖8 嚙合長(zhǎng)度對(duì)橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比的影響

        4 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證

        用于重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)的軸箱拉桿關(guān)節(jié),受力工況較為復(fù)雜,需為機(jī)車(chē)運(yùn)行提供合適的縱向剛度和橫向剛度,還需確保在重載牽引下產(chǎn)品的可靠性[3],因此產(chǎn)品的試驗(yàn)內(nèi)容包括靜態(tài)剛度試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)。

        表2為鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)靜態(tài)剛度試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果,可以滿(mǎn)足靜態(tài)剛度的要求,徑/軸剛度比可以達(dá)到3.57∶1,同時(shí)產(chǎn)品還能滿(mǎn)足高偏轉(zhuǎn)剛度的設(shè)計(jì)要求。

        表2 鋸齒型橡膠關(guān)節(jié)各向剛度試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了更有效的驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性,疲勞試驗(yàn)?zāi)M軸箱拉桿系統(tǒng)進(jìn)行(圖9),在橫向、垂向施加疲勞載荷,疲勞加載方式見(jiàn)圖10,疲勞試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。產(chǎn)品通過(guò)高達(dá)100萬(wàn)次的強(qiáng)化疲勞試驗(yàn),外觀(guān)良好,無(wú)橡膠與金屬剝離及橡膠本體開(kāi)裂現(xiàn)象,各向剛度變化率都小于15%,驗(yàn)證了鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)的可靠性及優(yōu)良的承載能力。

        圖9 疲勞試驗(yàn)安裝示意圖

        圖10 軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)疲勞加載方式

        表3 軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)條件

        5 裝車(chē)使用情況

        鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)用于該型重載貨運(yùn)機(jī)車(chē),累計(jì)裝車(chē)超過(guò)170臺(tái)份,產(chǎn)品數(shù)量超過(guò)10 000件,在線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)5年,情況良好,可靠性高,能出色的承擔(dān)重載貨運(yùn)牽引的任務(wù)。

        6 鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的應(yīng)用推廣

        鑒于該型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精巧,能在較小的幾何空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小的徑/軸剛度比,可靠性高,值得推廣。株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司在此產(chǎn)品成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)出多種新型號(hào),使其得到推廣應(yīng)用。

        7 結(jié)束語(yǔ)

        鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)能在較小的幾何空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小的徑/軸剛度比,其徑/軸剛度比可以達(dá)到3∶1~2.5∶1,特別適合機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架軸箱拉桿等要求小的徑/軸剛度比的場(chǎng)合。

        鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)具有較高的可靠性。與傳統(tǒng)橡膠關(guān)節(jié)相比,粘結(jié)面積大幅提高,且具有軸向自鎖功能,能避免產(chǎn)品因橡膠破壞問(wèn)題而發(fā)生芯軸竄出的安全事故。

        通過(guò)疲勞試驗(yàn)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)證明鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)具有良好的承載能力及較好的疲勞特性;鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)是一種值得推廣的橡膠球鉸結(jié)構(gòu)。

        [1] 唐先賀,張春良,郭紅鋒,楊 軍.大功率交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)橡膠彈性元件[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2008,(3):27-30.

        [2] 龔積球,龔震震,趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003.

        [3] 張春良,許呈祥,唐先賀.SS7E機(jī)車(chē)新軸箱拉桿設(shè)計(jì)[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2012,(2):18-21.

        Introduction of Serration Meshed Rubber Bushing

        PAN Wenbin,LI Yongtao,ZHANG Chunliang,CHENG Haitao

        (Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd.,CSR,Zhuzhou 412007 Hunan,China)

        Taking a locomotive Rod Rubber Bushing for instance,a serration meshed Rubber Bushing was introduced.Structure of serration meshed with self-locking function was proved to have low radial/axial stiffness matching,which has better load carrying capacity and fatigue performance.

        serration meshed;Rubber Bushing;fatigue performance

        U260.6+7

        A

        10.3969/j.issn.1008-7842.2014.03.08

        1008-7842(2014)03-0032-03

        1—)男,工程師(

        2013-11-29)

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